一种智能充电控制方法与流程

本发明涉及一种智能充电控制方法。

背景技术：

独立微光智慧应用照明系统中，铅酸蓄电池的充电控制策略对系统性能同样有着至关重要的影响。充电控制方法的优劣不仅影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。

充电的目的是恢复电池电能，除非充电器和电池构成的工作组处于涓流充电电模式，否则，充电期间虽然蓄电池端电压比较高，但是蓄电池无法完全充满。电池的容量是一个定值，充电的时间越短，意味着充电电流就越大。如果充电电流过大的话，将会产生充电反应，造成内部压力过大、蓄电池体温过高、活性物质化学性质发生改变等，从而损坏蓄电池。因此，充电的快速性和避免蓄电池的损坏，成为了一对彼此之间相互矛盾的问题。

20世纪60年代，美国科学家马斯(j.a.mas)提出了以最低的析气率为前提的蓄电池可接受的最佳充电曲线，即任意时刻电池能够接受的充电电流为：i＝i0e^at；

其中：i0为初始的充电电流，a为充电接受比，t为充电时间，i0和a的值由电池决定，与电池的类别、极板的结构、散热的性能及电池新旧有关。

如马斯最佳充电曲线所示，充电电流随时间按照指数规律下降，并且：

1.如果充电电流工作在“析气区”，则电流过大，会导致电池体温度过高，在电池内部的气压过高会有大量的气体析出，对电池造成损坏；

2.如果充电电流工作在“接受区”，则是蓄电池可接受的，但充电时间不能达到最短；

3.如果充电电流沿着曲线的轨道变化的话，是理想的充电状态；

实践证明，如果充电电流按这条曲线变化，可以大大缩短充电时间并且保证了电池的容量和寿命都不受到损坏。因此，我们需要寻找一种合适的充电策略，尽量的吻合马斯最佳充电曲线。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种智能充电控制方法。

一种智能充电控制方法，包括以下步骤：

a、mppt大电流充电阶段：首先对蓄电池的温度进行检测，当蓄电池温度低于设定温度时，打开电加热管对蓄电池进行升温保护，而当蓄电池温度升至设定温度时，关闭电加热管，再采用标准电流值的1.8至2.2倍的大电流对蓄电池进行充电，并监控蓄电池两端实时电压，当蓄电池两端电压上升至过充电压时，结束mppt大电流充电阶段，并自动转入恒压充电阶段；

b、恒压充电阶段：采用恒定电压对蓄电池进行充电，并监控蓄电池两端实时电压，通过调节输出电流使得蓄电池两端电压稳定，当输出电流下降至涓流充电电流时，结束恒压充电阶段，或是当恒压充电阶段时间超过预警值时，结束恒压充电阶段；

c、涓流充电阶段：采用小电流，并采用脉冲充电的方式来补偿蓄电池的自然放电，此时，充电电压等于蓄电池的额定电压，当充电电流超过最大设定值时，自动断电，并发出蓄电池损坏的报警信号，而当充电电流小于最小设定值时，自动断电，并发出电池充满信号；

d、模拟放电阶段：接入微型led灯管，并控制蓄电池对微型led灯管进行供电，间隔30s，每次供电时长10s，重复5次，放电结束后检测蓄电池两端电压，当蓄电池两端电压等于额定电压的0.9-1.1倍时，对蓄电池重新进行涓流充电，直至充满；而当蓄电池两端电压小于0.9倍额定电压时，发出蓄电池损坏的报警信号。

优选地，所述的恒压充电阶段中还包括对蓄电池的温度控制，当蓄电池的温度超过标准值时，打开散热风扇，并对蓄电池进行散热。

优选地，所述的脉冲充电的方式包括连续对蓄电池充电5-6s，再停止充电1-1.5s，并重复若干次。

各阶段功能详解：

第一阶段：mppt大电流充电阶段

在马斯充电曲线中，我们可以看出：充电前期蓄电池可以接受的充电电流相对较大，而太阳能电池组件输出的功率却是有限的。因此，我们在这一阶段使用了mppt大电流充电，既可以提高充电的效率，又可以最大限度的利用太阳能资源。在此阶段中，充电电流相对较大，电池电量恢复的十分迅速。与其他普通的多模式下大电流快速充电相比较，加入了最大功率点跟踪技术，使得系统充电可以保持在一个较高的状态。当电池电压上升到过充电压时，结束最大功率充电状态，进入下一个恒压充电阶段。

第二阶段：恒压充电阶段

蓄电池在第一阶段中，迅速的恢复电量，但是只能达到额定容量的80％-90％，为了使蓄电池容量充满，我们使用了恒压充电，作为第二阶段。恒压充电这个阶段是对蓄电池电量的补充，使蓄电池容量尽可能的恢复到满。在这个阶段中，要不断的检测蓄电池的端电压，使之保持稳定。因此，需要建立一个电压环进行反馈。在此，采用数字比例积分pi控制系统，用以提高控制的动态和稳态性能。首先通过采样，得到蓄电池的端电压，然后将之与期望值进行比较，可以得到比较的差值u，对差值u进行比例环节和积分环节的控制，得到mosfet的占空比的变化量d，进而得到下一步的控制占空比，最终使蓄电池电压恒定。

随着恒压充电的进行，充电电流随之逐渐减小，当充电电流降低到涓流充电流i浮时，电池已基本充满，装置转入第三阶段涓流充电。其中：

i浮＝0.02c

其中c为蓄电池组的额定容量。

第三阶段：涓流充电阶段

在此阶段中，采用低压小电流充电，以补充电池的自然放电，此时必须将充电电压稳定在蓄电池的额定电压附近。因而充电电流与第一阶段mppt大电流充电相比很小。但是由于工作情况的复杂性，浮充时也有电流较高的可能(如电池严重亏电、漏电、负荷过重等)。这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低，带电流降低电压升起后再稳压。涓流充电压为v浮。

v浮＝2.25n

其中n为蓄电池单体数。

在充电过程的后期，对充电电流进行检测，当充电电流小于关断电流阈值0.2a时，切断充电回路，退出充电程序。表示蓄电池已充满。三阶段充电策略是根据检测到蓄电池的不同状态，由核心控制系统决定进入哪种充电状态，使充电更加合理、快速，有利于保障蓄电池的寿命。而且在充电控制中融入最大功率点跟踪方法，保证了光伏系统利用太阳能资源的效率。

第四阶段：模拟放电阶段

接入微型led灯管，并控制蓄电池对微型led灯管进行供电，间隔30s，每次供电时长10s，重复5次，放电结束后检测蓄电池两端电压，当蓄电池两端电压等于额定电压的0.9-1.1倍时，对蓄电池重新进行涓流充电，直至充满；而当蓄电池两端电压小于0.9倍额定电压时，发出蓄电池损坏的报警信号。采用阶段放电的方式，可更有效的检测蓄电池的内阻情况。

有益效果：

在本项目中，蓄电池使用的是铅酸蓄电池。针对铅酸蓄电池，有很多常用的充电方法，如：恒流充电法、恒压充电法、多阶段充电法和pwm充电法等。根据实践经验，充分了解了以上各种方法的优缺点后，本项目设计并使用了新的智能充电策略：三阶段充电法。三阶段充电法的优势在于：既能提高了充电的效率，同时又保护了电池容量和寿命，充电曲线近似于马斯最佳充电曲线。

微光智慧应用系统中，蓄电池处于循环使用状态，白天的时候，光照充足，负载led灯关闭，蓄电池处于充电状态。判断此时蓄电池的电量，当蓄电池处于欠压时，首先在第一阶段进行最大功率点跟踪(mppt)充电，这个阶段充电电流比较大，电池的大部分电能在这一阶段恢复。实验表明，以mppt充电到限压点时，只能充入约80％的容量，于是进入第二阶段。第二阶段为恒压充电，在第二阶段中，将补充剩余的大约20％的电量。恒压充电结束后，充电器应自动转入第三阶段，即涓流充电过程。根据电池的自放电特性，涓流充电速率很低，使用pwm脉冲充电，充电器将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态，而第四阶段，模拟放电阶段，可以用于判断蓄电池是否需要更换，以防止夜间蓄电池无法有效供电，从而导致整个系统处于瘫痪状态。

附图说明

图1是马斯最佳充电曲线；

图2是一种智能充电控制方法的充电原理框图；

图3是一种智能充电控制方法的充电过程流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图2-3所示，一种智能充电控制方法，包括以下步骤：

a、mppt大电流充电阶段：首先对蓄电池的温度进行检测，当蓄电池温度低于设定温度时，打开电加热管对蓄电池进行升温保护，而当蓄电池温度升至设定温度时，关闭电加热管，再采用标准电流值的1.8至2.2倍的大电流对蓄电池进行充电，并监控蓄电池两端实时电压，当蓄电池两端电压上升至过充电压时，结束mppt大电流充电阶段，并自动转入恒压充电阶段。

b、恒压充电阶段：采用恒定电压对蓄电池进行充电，并监控蓄电池两端实时电压，通过调节输出电流使得蓄电池两端电压稳定，当输出电流下降至涓流充电电流时，结束恒压充电阶段，或是当恒压充电阶段时间超过预警值时，结束恒压充电阶段；所述的恒压充电阶段中还包括对蓄电池的温度控制，当蓄电池的温度超过标准值时，打开散热风扇，并对蓄电池进行散热。

c、涓流充电阶段：采用小电流，并采用脉冲充电的方式来补偿蓄电池的自然放电，此时，充电电压等于蓄电池的额定电压，当充电电流超过最大设定值时，自动断电，并发出蓄电池损坏的报警信号，而当充电电流小于最小设定值时，自动断电，并发出电池充满信号；所述的脉冲充电的方式包括连续对蓄电池充电5-6s，再停止充电1-1.5s，并重复若干次。

d、模拟放电阶段：接入微型led灯管，并控制蓄电池对微型led灯管进行供电，间隔30s，每次供电时长10s，重复5次，放电结束后检测蓄电池两端电压，当蓄电池两端电压等于额定电压的0.9-1.1倍时，对蓄电池重新进行涓流充电，直至充满；而当蓄电池两端电压小于0.9倍额定电压时，发出蓄电池损坏的报警信号。

充电电路设计

本项目所设计的微光智慧应用充电控制系统。

由于太阳能电池板采用最大功率点跟踪算法，存在着电压的上下波动，因此输出存在着电压过高损伤蓄电池，或者是电压过低无法给蓄电池充电的问题，所以需要加装电压适配器，对电压进行进一步地调整。从图2中可以看到，太阳能电池组件输出直流电压，先经过输入滤波，然后通过适配器的dc/dc变换，再经过输出滤波，这样就得到了满足负载所需求的直流输出电压，并且完成了能量的传递。电流电压检测电路负责对太阳能组件和蓄电池端电压，进行采样，通过采样之后，传入单片机adc采样端口。单片机msp430f235作为核心，控制算法软件运算后，再从pwm输出端口送出控制信号给驱动电路，最终由驱动电路完成对功率器件开通、关断的控制。

驱动电路设计的好坏将影响整个电路的工作性能及可靠性。mosfet驱动电路设计时应注意以下几个方面：

1)mosfet开通时，必须保证有足够大的驱动电流使其栅源电压能够上升到需要值，开关管快速开通且不存在上升沿高频振荡。驱动能力不足将严重影响变换器的稳定性，轻则导致mosfet发热严重，重则使整个变换器无法启动，甚至导致mosfet烧毁。

2)mosfet开通期间必须保证其栅源电压稳定。

3)mosfet关断瞬间驱动电路必须提供一个低阻抗通路供栅源电压快速泄放，保证mosfet快速的关断，避免产生直通现象。

4)驱动电路尽量的靠近mosfet，使得驱动线能尽可能的短，以避免其它信号干扰，影响电路工作稳定性。

充电控制程序

以单片机为核心的控制软件，具有灵活方便、通用性强、运行可靠的特点。本程序采用c语言编写。首先完成系统的初始化，包含对内部资源模块寄存器和有关标志位的初始设置。

充电控制程序主要实现预期的充电控制策略，本项目选用三阶段充电法加上模拟放电阶段，包括mppt充电、恒压充电、涓流充电以及模拟放电阶段。

该方法通过检测蓄电池的端电压和充电电流，分别实现mppt充电、恒压充电以及涓流充电的自动切换。

如附图3所示，其中vmmppt为mppt充电电压最小值,vcvmin为恒压充电电压最小值、vcvmax为恒压充电电压最大值、vbat为蓄电池两端电压、ibat为蓄电池电流、imin为涓流充电电流最小值。

在系统的初始化程序中，根据蓄电池的参数特性设定一个阈值电压，当系统进入充电控制程序，首先测量一次蓄电池的开路电压，若此开路电压值低于先前所设定的阈值，在本项目中设定为24v，表明蓄电池电力不足，充电初期能接受的充电电流较大，则可采用mppt充电方法。在mppt充电过程中，当检测到蓄电池充电电流小于阈值电流3a时，则改用恒压充电方法，由于本系统采用22.2v锂电池，设定的锂电池恒压充电电压为24v。在恒压充电过程中，当充电电流小于0.5a时，认为锂电池已充满，进入浮充阶段，当充电电流小于关断电流阈值0.2a时，切断充电回路，退出充电程序。若测量的锂电池开路电压高于先前所设定的24v，则系统直接进入恒压充电流程。

在每个充放电周期中，第一次进入充电状态时，系统是根据锂电池开路电压来决定充电流程的。如果满足vbat<20v，系统会进入mppt充电流程，而由mppt流程转入恒压流程是基于锂电池充电电流大小的判断，如果充电电流大于预设阈值，则置mppt标志位，mpptflag为1，循环进入mppt充电流程。若充电电流小于阈值，则mpptflag清零，退出mppt流程，进入恒压充电流程。若首次测得开路电压大于27v表示锂电池状态为充满，转入浮充阶段，当充电电流小于0.2a时，则停止其进行充电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。